ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА

ВЗРЫВНОГО ОБЪЁМНОГО МИКРОЛЕГИРОВАНИЯ ДЛЯ

УВЕЛИЧЕНИЯ СТОЙКОСТИ БУРИЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА

НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН

Долгинина Э.Д., студентка 6 курса ИТФ СамГТУ

Научный руководитель Алексенцева С.Е., профессор СамГТУ

Аннотация.

Применение

метода

взрывного

объёмного

микролегирования

бурильного

инструмента

за

счёт

метания

высокоскоростного

потока

порошковых

частиц

из

материалов

с

повышенными

прочностными

параметрами

обеспечивает

изменение

микроструктуры, увеличивает технологические характеристики материала

инструмента,

повышает

функциональную

стойкость

инструмента

при

бурении нефтегазовых скважин.

Ключевые слова: объёмное микролегирование, высокоскоростной

поток

частиц,

бурильный

инструмент,

долото,

стойкость,

нефтяные

и

газовые скважины

Технологии

разработки

нефтегазовых

месторождений

включают

ответственные процессы при бурении скважин, которые производятся с

использованием

бурильного

оборудования,

оснастки

и

инструментов.

Повышенной

надёжностью

должны

обладать

элементы

бурильного

инструмента,

работающие

в

условиях

циклических

температурных

воздействий и ударных нагружениях в процессе прохода твёрдых пород.

Инструментальный

класс

данных

работ

включает

фрезерные

и

шарошечные

долота,

а

также

трёхшарошечные

долота

с

шарошкой,

воспринимающей

в

основном

ударную

нагрузку.

В

настоящее

время

инструментальная

промышленность

предлагает

и

обеспечивает

производство

различных

конструкций

долот

с

высокими

эксплуатационные

характеристики

за

счёт

применения

специальных

материалов инструментов с высокими прочностными характеристиками и

технологии

изготовления.

Применяют

хромоникелевые

стали

марки

17ХН2, 10ХН3, 12ХН2 (содержит C - 0.09-016%, Mn - 0.3-0.6%, Si - 0.17-

0.37%, Cr - 0.6-0.9%, Ni - 1.5-1.9%, S - 0.35 %, P - 0.35%; механические

свойства σ

0.2

=590МПа, σ

В

=780МПа, δ

5

=12%, ψ=50%, KCU=88кДж/м

2

) и

другие.

Повышение

износостойкости

инструмента

обеспечивают

технологией

цементации

с

термообработкой.

Шарошечные

долота

получают

функциональную

стойкость

в

интервале

пятнадцати

часов

непрерывной работы. Поэтому в инструментальной отрасли нефтегазового

инструмента

развивается

тенденция

использования

алмазного

инструмента, имеющего стойкость около двадцати раз выше.

Альтернативный метод предлагается в данной работе, так как ещё не

все

возможности

упрочнения

инструментальных

сталей

использованы.

Применение

взрывной

обработки

материалов

за

счёт

воздействия

высокоскоростным потоком порошковых частиц с эффектом объёмного

микролегирования.

Объёмное

микролегирование

реализуется

за

счёт

углублённого проникания частиц в глубину материала инструмента. При

скорости разгона частиц около 1-1.5 км/с плотность потока обеспечивается

около

единицы

г/см

3

.

Обработка

ведётся

частицами

с

размером

в

диапазоне 10-100 мкм, при этом проникание обеспечивается на глубину до

тысячи

метаемых

размеров

частиц.

Давление

соударения

частиц

с

материалом составляет 10-15 ГПа.

Процесс

микролегирования

материала

реализуется

в

результате

множественного

направленного

ударного

воздействия

частиц

потока

и

дальнейшего

их

проникания

в

глубину

материала.

В

обрабатываемом

материале формируются микроканалы размером около микрометра. В зоне

за

проникающей

частицей

микроканал

схлопывается.

В

процессе

проникания частицы на стенках микроканалов остаётся материал частиц, а

также

формируются

новые

соединения

элементов

частиц

и

обрабатываемого материала. Проникающая частица вокруг микроканалов

переструктурирует

материал,

имеются

зоны

интенсивной

пластической

деформации

и

зоны

с

аморфной

структурой.

Микроизменения

вокруг

микроканалов

проникающих

частиц

составляют

около

нескольких

диаметров

частицы.

Все

микроструктурные

изменения

носят

перманентный характер и устойчивы к термической обработке.

Предлагаемая взрывная обработка материалов инструментов потоков

высокоскоростных

частиц

с

углублённым

прониканием

повышает

прочностные характеристики обрабатываемого материала. Зафиксировано

повышение твёрдости по глубине до десятков миллиметров и более. По

оценкам специалистов износостойкость повышается на глубине до 35 мм.

Повышение износостойкости на поверхности инструментов также имеет

место.

В Минском НИИ импульсных процессов применялись аналогичные

методики обработки шарошек из твёрдосплавных марок сталей с карбидом

вольфрама

в

связке

с

кобальтом

ВК3,

ВК4,

ВК6,

ВК8,

ВК10,

ВК15.

Свойства твёрдого сплава ВК8 - WC-92%, Co-8%, сопротивление изгибу

1300МПа,

плотность

14.4-14.8г/см

3

,

твёрдость

87.5

НRA.

Применение

данных

материалов

при

работе

с

крепкими

породами

разрушает

твёрдосплавные микроструктуры из-за низкой сопротивляемости ударным

нагрузкам.

Предлагалось

реструктурировать

твёрдосплавные

микроструктуры

с

применением

более

прочных

материалов.

Так,

применены

быстрорежущие

инструментальные

стали

Р9К5,

РМ4К8

и

Р6М5К5, хорошо работающие в условиях ударных нагрузок и нагрева.

Химический

состав

Р6М5К5-

5.7-6.7%W,

4.8-5.3%Mo,

4.7-5.2%Co.

Механические

свойства

стали

Р6М5К5

-

σ

0.2

=510МПа,

σ

В

=850

МПа,

НВ∙10

-1

=269МПа,

KCU=180кДж/м

2

.

Проведена

взрывная

обработка

потоком

высокоскоростных

частиц,

обеспечивающая

углублённое

проникание и объёмное микролегирование. Обработанные быстрорежущие

инструментальные

стали

частицами

вольфрама,

никеля,

карбидов

и

карбонитридов

использованы

для

изготовления

фрез,

резцов

и

др.

инструментов. Данная обработка обеспечивает коэффициент повышения

стойкости

стали

45

(предел

прочности

на

растяжение

σ

В

=588МПа,

твёрдость проката НВ∙10

-1

=299МПа), стойкость инструмента повышена в

1.4-1.8 раз.

В данной работе предлагается применить новые взрывные схемы

обработки

материалов

инструментов,

обеспечивая

объёмное

микролегирование

при

метании

высокоскоростных

потоков

частиц

из

высокопрочных

материалов

в

режиме

углублённого

проникания.

Разработан

автоматизированный

технологический

процесс

реализации

объёмного

микролегирования

материалов

инструментов.

Применение

взрывной обработки потоком высокоскоростных порошковых частиц из

элементов

повышенной

прочности

для

материалов

бурильных

инструментов

позволяет

повысить

функциональную

стойкость

при

проходках в технологиях нефтегазовых разработок.